Corso di Informatica

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1 Corso di Informatica Modulo T5 B1-Programmazione multithreading 1 Prerequisiti Schedulazione Attesa indefinita Lo stallo Tecnica round-robin 2 1

2 Introduzione La programmazione concorrente consente di chiedere l esecuzione contemporanea di più programmi. I processi corrispondenti che si generano possono essere effettivamente eseguiti in parallelo, come nel caso di sistemi multiprocessor, oppure possono essere eseguiti con un parallelismo simulato dal nucleo del sistema operativo, tramite un algoritmo detto schedulatore. Questi concetti si applicano anche ai thread, come vediamo in questa Unità. 3 Il ciclo di vita di un thread Un thread, analogamente ai processi, durante la sua evoluzione, passa attraverso diversi stati (creazione, avanzamento, sospensione, riattivazione e terminazione). Questo percorso prende il nome di ciclo di vita del thread ed è rappresentabile con il diagramma degli stati mostrato a fianco. 4 2

3 Gli stati di un thread Dal grafico osserviamo che un thread può essere: creato: l operazione New Thread() crea un nuovo thread; avviato: l operazione start() fa partire l esecuzione del thread creato; sospeso: il thread viene messo temporaneamente in stato di wait (detto Not Runnable), che pone il thread, nell attesa di un evento; riattivato, al thread viene comunicato che può riprendere l esecuzione; terminato: l operazione stop() termina l esecuzione del thread. Il diagramma degli stati è semplificato: in pratica, esistono altre operazioni che consentono la sincronizzazione fra due o più thread. Queste operazioni vengono descritte nello studio dei relativi linguaggi. 5 Le transizioni Il passaggio da uno stato al successivo prende il nome di transizione. Possiamo avere: Pronto Esecuzione (running): il processo ha il controllo di un processore; Esecuzione Pronto (ready): il processo è pronto ad essere eseguito, ed è in attesa di essere eseguito (compito dello scheduler, v. seguito); Esecuzione Attesa o sospeso o bloccato (suspended o blocked): il processo ha eseguito una chiamata di sistema ed è fermo in attesa di un evento (ad es. lettura dati da disco); Attesa Pronto il thread riceve il permesso di riprendere l avanzamento 6 3

4 Schedulazione Analogamente a quanto si fa per i processi, l esecuzione, in un certo ordine, di più thread su un sistema avente una sola CPU si dice shedulazione e l algoritmo del sistema operativo che stabilisce l ordine di esecuzione si dice schedulatore. 7 Programmazione multithreading - ambiente multicore Se: Nel caso di Java, la JVM è di per sé in grado di gestire processori multipli la macchina dispone di più di un processore il sistema operativo gestisce processori multipli i programmi multithreaded non dovranno essere riscritti poiché sfrutteranno automaticamente i processori in parallelo. Detto in modo molto semplificato, un sistema si dice multiprocessore quando contiene fisicamente più di una CPU. Si dice invece multicore quando contiene una sola CPU, ma nella quale sono alloggiati più nuclei (core). Il costo di una sola CPU dualcore è inferiore a quello di due CPU. 8 4

5 Programmazione multithreading - ambiente multicore Ovviamente, in ambienti multiprocessore (o in quelli multi-core), il parallelismo è reale poiché ogni thread effettivamente esegue su un processore diverso. In questi casi (specialmente per programmi di solo calcolo matematico) il multithreading è particolarmente indicato. 9 Programmazione multithreading - ambiente uniprocessor In ambienti uniprocessor, l esecuzione parallela di thread è simulata: i thread vengono eseguiti generalmente in partizione di tempo (time sharing), per cui un solo thread alla volta può avanzare. Il processore commuta frequentemente da un thread all altro (context switch) e l utente ha l impressione di un avanzamento parallelo: tutti i thread sembrano avanzare contemporaneamente (multithreading). 10 5

6 Programmazione multithreading - ambiente uniprocessor Non sempre in ambiente monoprocessore conviene il multithreading. Solitamente, l essere multithreading, è una caratteristica dei sistemi operativi (per esempio Unix), piuttosto che dei linguaggi di programmazione. La tecnologia Java, tramite la Java Virtual Machine, ci offre uno strato d astrazione per poter gestire il multithreading direttamente dal linguaggio, anche su macchine uniprocessor. 11 Svantaggi del multithreading Ogni thread usa ulteriori risorse di memoria Overhead (superlavoro) dovuto allo scheduling dei thread Context switch (sospensione di un thread in favore di un altro) frequenti occupano molto tempo. Tempi per la creazione, avviamento, deallocazione risorse e terminazione di un thread Ad esempio, invece di creare un thread ogni 5 minuti per controllare la posta, è meglio crearlo una volta e metterlo in pausa per 5 minuti fra un controllo e l altro 12 6

7 Priorità In tutti i sistemi (come nella JVM) l esecuzione dei thread avviene in base alla priorità di ciascuno e si sfrutta la tecnica di schedulazione a priorità fissa. La CPU esegue sempre il thread avente priorità più alta, fino a quando non si verifichi una delle seguenti condizioni: il thread viene sospeso (ad es. un thread a priorità più alta diventa Runnable) il thread termina (cessa definitivamene lo stato di running) il thread passa in stato di Not Runnable (ad es. su un sistema in partizione di tempo, termina il quanto di tempo assegnato al thread). 13 Tecnica round-robin Quando un thread viene interrotto, sospeso o termina, la CPU passa ad eseguire il thread con priorità di valore immediatamente minore. Se due thread hanno la stessa priorità, la CPU opera secondo la tecnica round-robin. 14 7

8 Assunzione di progresso finito Da quanto detto, si deduce che qualunque sistema operativo deve garantire che tutti i thread prima o poi vengano serviti. Questa garanzia, che prende il nome di assunzione di progresso finito, a volte, può essere messa a rischio, in particolare nel caso si verifichi: attesa indefinita stallo 15 Attesa indefinita Generalmente, in ogni istante è in esecuzione il thread con priorità massima, ma questa non può essere la regola generale: Un processo A, in attesa di una risorsa R, si vede privare l assegnazione di R da parte di un processo B, con priorità maggiore di A, che interviene non appena R diventa disponibile. Se lo schedulatore sceglie questa politica si va incontro al fenomeno detto starvation. 16 8

9 Attesa indefinita La starvation (letteralmente, morte per fame ) consiste nel fenomeno per cui il processore, quando si libera, viene subito assegnato a thread a priorità alta, non diventerà mai disponibile per un thread a priorità più bassa, il quale quindi non avanzerà mai. La situazione di starvation può essere evitata in generale utilizzando una strategia FIFO nell assegnazione delle risorse. 17 Stallo A volte può capitare che due o più thread restino in attesa di un dato evento che non si verificherà mai. Questo fenomeno, ovviamente da evitare, prende il nome di stallo. Ad esempio, un thread A detiene la risorsa R, mentre un thread B detiene la risorsa S. Per poter avanzare, A richiede S, mentre B richiede R Anche lo stallo può essere prevenuto attraverso apposite tecniche, illustrate nei relativi corsi di sistemi operativi. 18 9

10 Argomenti Il ciclo di vita di un thread Gli stati di un thread Le transizioni Schedulazione Programmazione multithreading ambiente multicore ambiente uniprocessor Svantaggi del multithreading Priorità Tecnica round-robin Assunzione di progresso finito Attesa indefinita Stallo 19 Altre fonti di informazione P.Camagni, R.Nicolassy Java: interfacce grafiche e programmazione concorrente, ed. Hoepli Informatica